Piezoelettricità e Piroelettricità

(Pavimento piezoelettrico)

Piezoelettricità

La piezoelettricità (dal greco πιέζειν, premere, comprimere) è la proprietà di alcuni materiali cristallini di polarizzarsi generando una differenza di potenziale quando sono soggetti a una deformazione meccanica (effetto piezoelettrico diretto) e al tempo stesso di deformarsi in maniera elastica quando sono sottoposti ad una tensione elettrica (effetto piezoelettrico inverso o effetto Lippmann).

La scoperta dell’effetto piezoelettrico risale al 1880 per opera di Pierre Curie e Paul-Jacques Curie che scoprirono dapprima l’effetto piezoelettrico diretto nel quarzo e successivamente, seguendo l’ipotesi di Gabriel Lippmann, scoprirono l’effetto piezoelettrico inverso.

L’effetto piezoelettrico è presente in quasi tutti i materiali cristallini che sono privi di centro di simmetria. La struttura di tali cristalli è costituita da microscopici dipoli elettrici. In condizioni di quiete, questi dipoli elettrici sono disposti in maniera tale che le facce del cristallo abbiano tutte lo stesso potenziale elettrico. Quando viene applicata una forza dall’esterno, comprimendo il cristallo, la struttura del cristallo viene deformata e si perde la condizione di neutralità elettrica del materiale, per cui una faccia del cristallo risulta carica negativamente e la faccia opposta risulta carica positivamente. Nel caso in cui il cristallo venga sottoposto a trazione, il segno della carica elettrica di tali facce si inverte.
Il cristallo si comporta dunque come un condensatore al quale è stata applicata una differenza di potenziale. Quindi se le due facce vengono collegate tramite un circuito esterno viene generata una corrente elettrica, detta corrente piezoelettrica.
Al contrario, quando si applica una differenza di potenziale al cristallo, esso si espande o si contrae lungo un asse determinato provocando una vibrazione anche violenta. L’espansione volumetrica è facilmente pilotabile ed è strettamente dipendente dalla stimolazione elettrica.

Ad esempio, i cristalli di titanato di piombo e zirconio (PZT), nella immagine a lato si vede il cilindretto di PZT usato per i nostri test, generano piezoelettricità misurabile quando la loro struttura statica è deformata di circa lo 0,1% della dimensione originale. Viceversa, quegli stessi cristalli cambieranno di circa lo 0,1% della loro dimensione statica quando viene applicato un campo elettrico esterno al materiale.

Nel grafico sotto si vede il tipico impulso che si ottiene dal cilindro di PZT (raccolto dai due elettrodi posti alle due estremità) quando viene colpito lungo la direzione verticale. Vi sono due picchi, uno positivo ed uno negativo, che corrispondono alla compressione ed alla successiva distensione del materiale.

Il segnale prodotto dal cristallo piezoelettrico può essere messo in relazione con la vibrazione sonora prodotta dalla deformazione conseguente all’urto. Per verificarlo abbiamo posizionato un microfono in corrispondenza al cristallo ed abbiamo acquisito con l’oscilloscopio entrambi i segnali. La corrispondenza degli impulsi, come atteso, è ottima. Nel grafico sotto si vede la traccia gialla proveniente dal microfono, la quale indica la vibrazione sonora, mentre la traccia blu è il segnale piezoelettrico generato dal cristallo.

L’impulso prodotto dal cristallo piezoelettrico può avere ampiezza elevata, anche oltre 100 V, la sua durata è inoltre limitata a causa della impedenza elettrica interna del cristallo che scarica la polarizzazione prodotta dalla deformazione. Per essere utilizzato l’impulso va quindi condizionato.
Il modo più semplice è collegare un resistore ai due capi del sensore piezoelettrico : l’impulso di corrente prodotto dal sensore, passando lungo la resistenza, produce una tensione che può essere misurata, maggiore è il valore della resistenza e maggiore sarà la tensione prodotta. Con una resistenza di 200 KΩ gli impulsi hanno ampiezza di qualche volt.
Per una maggiore precisione nella conversione del segnale di corrente prodotto dal cristallo piezoelettrico si può utilizzare un amplificatore di carica (charge sensitive preamplifier), il quale accumula la carica prodotta dal sensore in un condensatore di feedback, trasformandola quindi in tensione, in questo caso minore è la capacità del condensatore e maggiore sarà la tensione prodotta (noi abbiamo utilizzato un condensatore di feedback da 1 nF).
L’immagine sotto mostra due sensori piezoelettrici collegati uno ad un preamplificatore di carica e l’altro ad un semplice resistore.

Il grafico sotto mostra gli impulsi prodotti dal sensore piezoelettrico picchiettato con le dita. Il secondo grafico mostra invece l’impulso che si ottiene utilizzando il preamplificatore di carica.

Piroelettricità

La piroelettricità è una proprietà mostrata da alcuni cristalli che hanno polarizzazione elettrica spontanea e di conseguenza danno luogo al loro interno a grandi campi elettrici. La piroelettricità può essere descritta come la capacità di determinati materiali di generare una tensione temporanea quando vengono riscaldati o raffreddati.
Il cambiamento di temperatura modifica leggermente la posizione degli atomi all’interno della struttura cristallina, in modo tale che la polarizzazione del materiale cambia. Questo cambiamento di polarizzazione dà origine a una tensione attraverso il cristallo. Se la temperatura rimane costante al suo nuovo valore, la tensione piroelettrica scompare gradualmente a causa della corrente di dispersione (la perdita può essere interna dovuta a elettroni che si muovono attraverso il cristallo, oppure esterna causata a ioni che si muovono nell’aria).

Nel nostro setup abbiamo utilizzato una cella di peltier per variare la temperatura di un cristallo piroelettrico. Nella immagine sotto si vede la cella di peltier inserita a sandwich tra due blocchetti di alluminio, il tutto appoggiato su di un dissipatore, sempre di alluminio. La cella di peltier viene controllata da un driver con termostato sul quale si imposta la temperatura desiderata. La temperatura viene controllata da un sensore di temperatura collegato al regolatore. Sul blocchetto superiore è posto un cristallo di niobato di litio che è un materiale piroelettrico. Mediante il termoregolatore è possibile incrementare e diminuire la temperatura del blocchetto superiore di alluminio secondo il cliclo prestabilito.

Quando il cristallo viene sottoposto a riscaldamento si forma una polarizzazione di cariche e quindi una differenza di tensione tra le due superfici del cristallo. Questa tensione può essere rilevata con la sonda dell’oscilloscopio, collegando il puntale GND al blocchetto di alluminio e toccando con l’altro puntale la superfice superiore del cristallo stesso. La misurazione causa il riequilibrio delle cariche e quindi si visualizza un impulso con decadimento esponenziale. Un esempio è mostrato nel grafico sotto. Si nota come i valori che tensione che si ottengono sono estremamente elevati : oltre 10 – 20 KV.

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